成果简介

开发先进的煤基功能纳米材料对煤炭资源的清洁有效利用具有重要意义。本文，新疆大学Su Zhang、北京化工大学宋怀河研究员等研究人员在《Carbon》期刊发表名为“Ultra-fine carbon nanosheets from coal oxidation for tri-functional improvement of carbon nanofiber fabrics”的论文，研究通过烟煤化学氧化制备的新型煤基超细碳纳米片（UCNSs），产率高达40.0 wt%。UCNS显示出10-20 nm的层状尺寸，主要由63.5at.% 碳、5.1 at.% 氮和 31.4 at.% 氧组成。合适的尺寸分布、丰富的官能团和高度共轭的核的结构优点使 UCNSs 显示出对通过静电纺丝和碳化制备的碳纳米纤维的三功能增强。

由于强大的交联作用和整个导电网络的形成，嵌入UCNS的碳纳米纤维织物的机械强度和导电性提高了32.6倍和1.5倍，分别比没有UCNS的那个。更重要的是，UCNSs 的暴露边缘作为超快电容储能的活性位点，导致独立式织物具有显着改善的电容和倍率性能（191.2 F g-1 at 1 A g -1 , 113.5 F g -1 at 50 A g -1 ) 用于水性超级电容器。该工作可为煤炭资源的高效、高附加值利用提供新思路。

图文导读

图1。GQDs和UCNSs的制备和分离示意图，通过静电纺丝和碳化制备UCNS增强碳纳米纤维织物（RCNFs）。

图3。(a 1 -a 3 ) CNF 未添加 UCNS 和 (b 1 -b 4 ) RCNF-0.3弯曲和折叠前后的照片。(c) RCNF-0.3 (0.85 mm, 300 mg) 的照片拉起 150g的重量。(d) RCNF-x 的机械强度。

图4。(a) XRD 图案，(b) (002) 峰的强度与 FWHM 之比，(c) 拉曼光谱，(d) CNF 和 RCNF-x 的电导率。(e) XPS 测量光谱，和 (f) CNF 和 RCNF-0.3 的 XPS C 1s光谱。

图5。(a) 10 mV s -1时的 CV 曲线，(b) 倍率性能，(c) 奈奎斯特图，(d) 计算的 CNF 和 RCNF-x 的电荷转移电阻 (R ct )。(e) RCNF-0.3 和 G-CNF在 10 mV s -1的 CV 曲线。(f 1 ) RCNF-0.3 和 (f 2 ) G-CNF 的赝电容储能行为示意图

图6。(a) 不同扫描速率下的 CV 曲线，(b) Ragone 图，和 (c) RCNF-0.3//RCNF-0.3 超级电容器在 10 A g -1下的循环稳定性。

小结

综上所述，以烟煤为前驱体，采用简单的液相氧化法和离心分级法制备了产率高达 40.0 wt% 的超细碳纳米片（UCNSs）。UCNSs 由 63.5 at.% 的碳、5.1 at.% 的氮和 31.4 at.% 的氧组成，显示出 10-20 nm 的层状尺寸、高度共轭的核心和丰富的边缘官能团。UCNSs 对静电纺丝碳纳米纤维织物表现出新颖的三功能增强效果，包括提高 32.6 倍的机械强度、提高 1.5 倍的导电性以及丰富的边缘含氧官能团作为赝电容活性位点。因此，自支撑织物表现出高电容储能能力，良好的倍率性能，以及出色的循环稳定性。新制备的 UCNSs 具有很高的应用潜力，进而为煤炭资源的高效、高端利用提供了指导。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.09.022